Акустооптические модуляторы

Принцип действия акустооптического модулятора основан на зависимости показателя преломления оптической среды от внешнего давления (эффект фотоупругости). Под действием ультразвуковых волн (f»104¸1013 Гц) благодаря фотоупругости происходит модуляция показателя преломления среды, вследствие чего среда приобретает свойства оптической фазовой решетки, период которой равен длине акустической волны. Примером таких материалов являются кристаллы ТеО2 (диоксид теллура), LiNbO3 (ниобат лития), PbMoO4 (молибдат свинца) и т.д. В этих кристаллах давление создается акустическими волнами, генерируемыми пьезоэлектрическим преобразователем.

      Рис.5.7. Ход лучей в акустооптическом модуляторе.  

Ход лучей в акустооптическом модуляторе имеет вид, показанный на рис. 5.7.

 

Акустические волны созданные генератором (пьезоэлектрический кристалл) образуют ряд горизонтальных линий с одинаковыми показателями преломления, так называемую решетку Брэгга. Она перемещается со скоростью Uак и обеспечивает отражение входного луча. Акустическая волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, вызывает периодическое изменение его показателя преломления n:

такую среду можно рассматривать как фазовую дифракционную решетку с периодом, равным длине ультразвуковой волны , где K=W/Uак -волновое число, W-циклическая частота, Uак - скорость акустической волны .

Характер дифракции света на акустических волнах существенно зависит от параметра .

В случае наблюдается дифракция Брэгга. Дифракционная картина Брэгга состоит из двух максимумов: нулевого и первого порядков дифракции. Отражение происходит при определенных углах, так называемых углах Брэгга.

Если шаг решетки 2s равен оптической длине волны света в материале, тогда: (5.12)

и происходит интерференция всех отраженных волн. Здесь L=Uак/ -длина акустической волны; - частота генератора акустических волн, -угол Брэгга в кристалле, m-дифракционный порядок; -длина оптической волны, n-показатель преломления материала.

С точки зрения применений наибольший интерес представляет угол Брэгга за пределами кристалла . По закону Снеллиуса: или из (5.12): . (5.13)

Как видно из формулы (5.13) при Uак =const. угол Брэгга зависит только от частоты генератора акустических волн и оптической длины волны .

При модуляции мощности генератора акустических волн происходит модуляция интенсивности отклоненного светового луча. Интенсивность отклоненного светового луча в первом максимуме выражается как:

(5.14)

где - геометрические размеры акустического волнового пучка; -акустическое качество материала; Pак – акустическая мощность. Как видно из формулы (5.14), увеличивая Pак можно в принципедобиться 100% - ной эффективности модулятора. Акустическое качество зависит от следующих физических характеристик материала: , (5.15)

где - плотность среды; -компонента тензора наведенной анизотропии.

Соотношение (5.14) является модуляционной характеристической акустооптического модулятора света.

Акустооптический модулятор характеризуется следующими параметрами: 1) Нелинейная функция преобразования, которая позволяет определить рабочую точку для обеспечения необходимого значения контрастности и глубины модуляции лазерного излучения:

, (5.16)

где fM – частота модуляции; f0=0,35/t; t=0,85Vak/L – длительность фронта нарастания акустической волны.

 
 

Рис. 5.8. Примеры нелинейной функцией преобразования. 1- f0 = 80 MГц; 2 – f0 = 200 MГц; 3 – f0 = 800 МГц.

 

2) Контрастность модуляции лазерного излучения, определяемая отношением его максимальной интенсивности, прошедшего через модулятор к минимальному значению: , (5.17)

3) Глубина модуляции оптического излучения, которая определяется как: . (5.18)

Еще одной особенностью акустооптического модулятора является то, что в результате акустооптического взаимодействия лазерного излучения с движущейся дифракционной решеткой, частота лазерного излучения смещается на величину акустической частоты .